Aula01BioqI_RevPlanoMolVida

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Aula de Bioquímica I
Tema:
Plano Molecular da Vida
Prof. Dr. Júlio César Borges
Depto. de Química e Física Molecular – DQFM
Instituto de Química de São Carlos – IQSC
Universidade de São Paulo – USP
E-mail: borgesjc@iqsc.usp.br
BioQuímica
É o estudo da vida no seu plano molecular e químico.
A Bioquímica ajuda a explicar a biologia em termos químicos.
Bio = Vida
Possui as propriedades de REPLICAÇÃO, CATÁLISE e MUTABILIDADE.
Interação entre átomos chave para a vida = Química
“Diz-se com freqüência que todas as condições de para a primeira produção de um 
organismo vivo estão agora presentes, as quais poderiam estar presentes desde sempre. 
Mas se (e, oh, que se!) pudéssemos imaginar que, em alguma pequena e quente lagoa, na 
presença de todos os tipos de amônia e sais fosfóricos, luz, calor, 
eletricidade, etc., um composto protéico tenha formado-se 
quimicamente, pronto para ser submetido a mudanças 
mais complexas, atualmente tal substância seria devorada 
instantaneamente, o que não ocorreria antes da formação 
das criaturas vivas”.
Charles Darwin, 1871.
(1809-1882)
Unidade Bioquímica
Os organismos são extraordinariamente uniformes ao nível molecular
“Algo encontrado pode ser 
verdade em E. coli, mas 
também pode ser verdade em 
elefantes”Jacques Monod 
(1954)
O que seres vivos tão 
diferentes tem em comum
* Células;
* Biomoléculas;
* Vias catabólicas e Biosintética;
* Autorreplicação e 
automontagem;
* Evolução e hereditariedade... 
Unidade Bioquímica
A maquinaria Bioquímica de TODOS os seres vivos conhecidos é UNIVERSAL.
A origem da Vida
Atmosfera redutora: H2O, N2, CO2, CO, CH4, SO2 e H2
A origem da Vida
3 Fazes
1o: Evolução Química
2o: Auto-organização
3o: Evolução Molecular
���� Há controvérsias!!!
Evolução Biológica versus
Design 
Inteligente/Criacionismo
T
E
M
P
O
Compostos chave para a vida
99% da massa da maioria das células são compostas por C, H, O e N.
Carbono 
- Versatibilidade química ���� 4 ligações estáveis
- Ligações covalentes simples, duplas e triplas
- Formam compostos poliméricos
C-O-C C-N-C C-O-P-O-C
- Menos estáveis do que C-C ���� são mais reacionais ���� permitem quebras
Evolução Química
Biomoléculas “evoluíram” a partir de percussores presentes no mundo prébiótico
���� Alexander Oparin e J.B.S. Haldene, em 
1920, independentemente, sugeriram que 
a Radiação UV do sol ou descargas 
magnéticas na atmosfera levariam os 
compostos orgânicos simples a reagirem e 
formarem compostos complexos como: 
aminoácidos, bases nitrogenadas e 
açucares, etc.
���� Em 1953, Stanley Miller e Harold Urey
mostraram experimentalmente a validade 
desta sugestão
Amostras para análise
Evolução Química
O Experimento de Miller-Urey mostrou a formação de diversas moléculas orgânicas 
importantes para a vida como a conhecemos.
Açucares formam-se a partir da condensação de formaldeído CH2O – na presença de cátions 
divalentes, trióxido de alumínio ou argila.
Adenina forma-se a partir da 
condensação de 5 moléculas de 
HCN na presença de NH3
Evolução Química
Variações experimentais mostraram a formação de outros compostos importantes.
Evolução Química
Moléculas biológicas “evoluíram” a partir de 
percussores presentes no mundo pré-biótico
RNA ou precursores 
relacionados podem ter 
sido os primeiros genes 
catalisadores
O O O O Cenário do Cenário do Cenário do Cenário do 
Mundo do RNAMundo do RNAMundo do RNAMundo do RNA
Auto-organização
Grupos de polímeros se reuniram e formarão entidades auto-replicativas
���� Resultando na transição para um sistema vivo 
Biomoléculas
���� 4 principais tipos ���� 3 são poliméricas e 1 forma “agregados”
Auto-organização em compartimentos
A Compartimentalização ofereceu vantagens
- menor espaço para a difusão para de metabólitos e enzimas
- proteção contra ataques externos
- Possibilidade de novas formas de geração de energia ���� gradiente de prótons
Membrana plasmática ���� estrutura que limita uma célula
Bicamada lipídica Bomba de íons
O DNA
A Informação armazenada no DNA funciona como molde para a sua auto-replicação e a 
origem da progênie celular
Fita Parental 1
Fita Filha 1
Fita Parental 2
Fita Filha 2
Dogma central da Biologia
A Informação é:
Armazenada ���� Decodificada ���� Executada
DNA ���� RNA ���� Proteínas
Transcrição Tradução
Código Genético
Evolução Molecular
A Informação evoluiu a partir de um ancestral comum e eventos aleatórios de mutação e 
seleção
“Nada na Biologia faz 
sentido exceto na luz 
da Evolução”.
Theodosius
Dobzhansky (1973)
Evolução Molecular
���� A Informação evoluiu a partir de um ancestral comum e eventos aleatórios de mutação e 
SELAÇÃO NATURAL.
Evolução Molecular
���� A comparação da seqüência de DNA ou da proteína permite classificar os 
organismos com mais precisão do que as suas características fenotípicas.
Evolução Molecular
Homologia
Algo É ou NÃO É homólogo ���� sem 
quantificação!!!
Identidade ou Similaridade
Permite comparação quantitativa das 
posições idênticas na seqüência 
Evolução Molecular
A evolução ocasionou o surgimento de diferentes espécies a partir de um 
ancestral comum
A Maquinaria e Linguagem Bioquímica
é COMUM à TODOS organismos conhecidos, com algumas diferenças pontuais 
devido à evolução divergente pós-separação.
A Vida teria 
surgido apenas 1 
vez!!!
Classificação dos organismos - Filogenia
Jacques Monod disse
“O que for verdade para E. coli
é para o elefante”
Classificação dos organismos
���� Aeróbicos ���� Anaeróbicos 
- Obrigatórios
- Falcutativos
Procarioto versus Eucarioto
Alguns processos 
metabólicos nos 
procariotos, que não 
possuem organelas, 
podem estar localizados 
em áreas específicas do 
citosol
Nas células eucarióticas, a produção 
de metabólitos em organelas 
específicas requer mecanismos de 
transporte específicos
Procarioto versus Eucarioto
Eucariotos surgiram através da endosimbióse com bactérias aeróbicas
Procarioto versus Eucarioto
O Procarioto se multiplica mais rapidamente, entretanto o Eucarioto é mais 
hábil em explorar ambientes inóspitos.
Procarioto versus Eucarioto
Ambos os organismos são muito bem adaptados aos seus estilos de vida
T.A. Bramley (1982) TIBS
Arquitetura da 
Célula Eucariótica
���� Animal
���� Vegetal
- Diferenças relacionadas 
ao estilo de vida
Estruturas Biológicas
Diferentes níveis organizacionais foram uma célula
Estruturas Biológicas: Macromoléculas
Diferentes níveis organizacionais foram uma célula
Pequenas Moléculas Biológicas
���� Uma célula possui de 100 a 200 moléculas pequenas
- São os metabólitos comuns dos seres vivos 
- constituem os compostos da linguagem universal da Vida
Ex: Aminoácidos, nucleotídeos, açúcares, derivados fosforilados, e ácidos carboxílicos
���� “Compostos secundários”
- Compostos característicos de tipos celulares ���� plantas principalmente
- São compostos de defesa ou ataque
- Fonte de moléculas com atividade farmacológica
Ex: Morfina, quinina, nicotina, THC, cafeína, etc.
���� METABOLOMA
- Conjunto de pequenas moléculas encontradas num tipo celular
- Pode indicar os tipos de enzimas que estão presentes naquela célula
Forças Químicas em Macromoléculas
���� Ligações Covalentes
C–C, C=C, C-O, C=O, C-N, C=N, C-S, etc.
���� Ligações Não-Covalentes
���� Interações Eletrostáticas ou Iônicas
- Envolvem cargas opostas, depende da distância das cargas e do meio (const. dielétrica)
���� Interações por ligação de Hidrogênio
- Depende de átomos eletronegativos 
doadores e aceptores de H
���� Interações de van der Walls
- Depende da proximidade dos átomos
���� Interações hidrofóbicas
- Depende do “efeito hidrófobo”
O Organismo
Diferentes níveis 
organizacionais 
foram um 
organismo